Супер конденсатор UPS: 6 қадам (суреттермен)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:24

Жоба үшін меннен микроконтроллерді қуат жоғалғаннан кейін шамамен 10 секунд жұмыс істей алатын резервтік қуат жүйесін жоспарлау сұралды. Идея - бұл 10 секунд ішінде контроллерге уақыт жеткілікті

• Не істесе де оны тоқтатыңыз
• Ағымдағы күйді жадқа сақтаңыз
• Қуат жоғалуы туралы хабарламаны жіберіңіз (IoT)
• Күту режиміне ауысады және қуаттың жоғалуын күтеді

Қалыпты жұмыс қайта жүктеуден кейін ғана басталады. Егер қуат осы 10 секунд ішінде оралса, бұл қандай рәсім болуы мүмкін, әлі де жоспарлау қажет. Дегенмен, менің міндетім электрмен жабдықтауға назар аудару болды.

Ең қарапайым шешім сыртқы UPS немесе сол сияқты болуы мүмкін. Әлбетте, бұлай емес және бізге әлдеқайда арзан және кішірек нәрсе қажет болды. Қалған шешімдер батареяны немесе супер конденсаторды қолдану болып табылады. Дәл бағалау процесінде мен YouTube -те ұқсас тақырыптағы жақсы бейнені көрдім: Сілтеме.

Біраз ойланғаннан кейін супер конденсатор схемасы біз үшін ең жақсы шешім болып көрінді. Бұл батареядан сәл кіші (біз өте кең қолданылатын компоненттерді қолданғымыз келеді, бірақ мен оның себебі шынымен рас екеніне сенімді емеспін), аз компоненттерді қажет етеді (яғни арзанырақ), ең бастысы- бұл әлдеқайда жақсы естіледі аккумулятордан гөрі (инженер емес адамдармен жұмыс істеудің салдары).

Теорияны тексеру үшін және супер конденсатордың зарядтау жүйелері жұмыс жасайтынын бақылау үшін сынақ қондырғысы құрылды.

Бұл нұсқаулық мұны қалай жасау керектігін түсіндіруден гөрі не істелгенін көрсетеді.

1 -қадам: жүйенің сипаттамасы

Жүйенің архитектурасын суреттен көруге болады. Біріншіден, 230ВА 24 ВДК -ке 5 ВДС -қа айналады, соңында микроконтроллер тізбегі 3,3 В -та жұмыс істейді. Идеал жағдайда, электр желісінде (230VAC) электр энергиясының үзілуін анықтауға болады. Өкінішке орай, біз мұны жасай алмаймыз. Сондықтан, біз 24VDC -де қуат әлі де бар -жоғын тексеруіміз керек. Осылайша, айнымалы токтың тұрақты ток конденсаторларын пайдалануға болмайды. Микроконтроллер және басқа барлық маңызды электроника 3.3В кернеуде. Біздің жағдайда 5В рельс супер конденсаторды қосу үшін ең жақсы орын деп шешілді. Конденсатордың кернеуі баяу ыдырайтын кезде, микроконтроллер 3,3В кернеуде жұмыс істей алады.

Талаптар:

• Тұрақты ток - Iconst = 0,5 A (@ 5.0V)
• Минималды кернеу (мин. Рұқсат етілген кернеу 5В рельсінде) - Vend = 3.0V
• Конденсатор жабатын ең аз уақыт - T = 10 сек

Конденсаторды өте тез зарядтай алатын бірнеше арнайы суперконденсаторлық зарядтау IC бар. Біздің жағдайда зарядтау уақыты маңызды емес. Осылайша, қарапайым диодты резисторлық схема жеткілікті. Бұл схема кейбір кемшіліктермен қарапайым және арзан. Зарядтау уақыты туралы мәселе бұрын айтылған. Дегенмен, негізгі кемшілік - конденсатордың толық кернеуіне дейін зарядталмауы (диод кернеуінің төмендеуі). Дегенмен, төмен кернеу бізге жағымды жақтарын да әкелуі мүмкін.

AVX SCM сериясының деректер кестесіндегі (сілтеме) суреттегі Super конденсатордың күтілетін қызмет ету қисығында жұмыс температурасы мен кернеудің керісінше күтілетін қызмет мерзімін көруге болады. Егер конденсатордың кернеу мәні төмен болса, күтілетін қызмет мерзімі артады. Бұл пайдалы болуы мүмкін, себебі төмен кернеулі конденсаторды қолдануға болады. Бұл әлі де нақтылауды қажет етеді.

Өлшеуде көрсетілгендей, конденсатордың жұмыс кернеуі шамамен 4,6 В-4,7 В-80% Вт болады.

2 -қадам: Сынақ тізбегі

Кейбір бағалаудан кейін AVX супер конденсаторлары тестілеу үшін таңдалды. Тексерілгендер 6В кернеуге ие. Бұл біз қолдануды жоспарлап отырған мәнге өте жақын. Дегенмен, тестілеу үшін бұл жеткілікті. Сыйымдылықтың үш түрлі мәні тексерілді: 1F, 2.5F және 5F (параллель 2x 2.5F). Конденсаторлардың рейтингі келесідей

• Сыйымдылық дәлдігі - 0% +100%
• Номиналды кернеу - 6В

• Өндіруші бөлігі - №

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Өмір сүру уақыты - 2000 сағ, @ 65 ° C

Шығу кернеуін конденсатор кернеуіне сәйкестендіру үшін минималды тура кернеу диодтары қолданылады. Сынақ кезінде VdiodeF2 = 0.22V диодтар VdiodeF1 = 0.5V жоғары токпен бірге жүзеге асады.

Қарапайым LM2596 DC-DC түрлендіргіші IC қолданылады. Бұл өте берік IC және икемділікке мүмкіндік береді. Сынақ үшін әр түрлі жүктемелер жоспарланды: негізінен әр түрлі резистивті жүктеме.

Кернеудің тұрақтылығы үшін супер конденсаторға параллель екі параллель 3.09 кО резистор қажет. Сынақ схемасында супер конденсаторлар қосқыштар арқылы қосылады, ал егер конденсаторлардың ешқайсысы қосылмаған болса, кернеу тым жоғары болуы мүмкін. Конденсаторларды қорғау үшін оларға параллель 5,1В зенер диоды орналастырылған.

Жүктеме үшін 8.1 кОм резистор мен жарық диоды шамалы жүктеме береді. Жүктеме жоқ жағдайда кернеу қалағаннан жоғары болуы мүмкін екені байқалды. Диодтар күтпеген әрекетке әкелуі мүмкін.

3 -қадам: Теориялық есептеулер

Болжамдар:

• Тұрақты ток - Iconst = 0,5А
• Vout @ қуат үзілуі - Vout = 5.0V
• Диодтардың алдында конденсатордың зарядтау кернеуі - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• Бастау кернеуі (Vcap @ қуат үзілуі) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5.5 - 0.5 - 0.22 = 4.7V
• Электр қуатының үзілуі - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4.7 - 0.22 = 4.4V
• Ең төменгі Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• Конденсатор жабатын ең аз уақыт - T = 10 сек

Конденсаторды зарядтау уақыты (теориялық): Зарядтау = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

1F конденсатор үшін бұл R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 +? +? = 27 Ом

Егер C = 1.0F болса, зарядтау = 135 сек = 2,5 мин

Егер C = 2.5F болса, зарядтау = 337 сек = 5.7 мин

Егер C = 5.0F болса, зарядтау = 675 сек = 11 минут

Болжамдарға сүйенсек, тұрақты қуат көрсеткіші шамамен: W = I * V = 2,5W

Конденсаторда энергияның белгілі бір мөлшерін сақтауға болады: W = 0,5 * C * V^2

Осы формуланың көмегімен сыйымдылықты есептеуге болады:

• Мен x ваттты секундқа салғым келеді, маған қанша сыйымдылық қажет (Сілтеме) C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• Мен x секундқа амперді салғым келеді, маған қанша сыйымдылық қажет? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

Егер конденсатордың мәнін 5F деп таңдасақ:

• Бұл конденсаторды тұрақты токпен зарядтауға/разрядтауға қанша уақыт кетеді (Сілтеме)?
• Тұрақты қуаты бар (Вт) конденсаторды зарядтауға/разрядтауға қанша уақыт кетеді?

Егер зарядтау = 25 Ом болса, зарядтау тогы болады

Ал зарядтау уақыты шамамен: зарядтау = 625 сек = 10,5 минут

4 -қадам: практикалық өлшеулер

Әр түрлі конфигурациялар мен сыйымдылық мәндері сыналды. Тестілеуді жеңілдету үшін Arduino басқаратын тест қондырғысы құрылды. Схемалар алдыңғы суреттерде көрсетілген.

Үш түрлі кернеу өлшенді және нәтижелер теорияға сәйкес келеді. Жүктеме токтары диодтың көрсеткішінен әлдеқайда төмен болғандықтан, алға қарай кернеудің төмендеуі сәл төмен болады. Соған қарамастан, жоғары конденсатордың өлшенген кернеуі теориялық есептеулермен сәйкес келеді.

Келесі суретте 2.5F конденсаторы бар әдеттегі өлшемді көруге болады. Зарядтау уақыты теориялық 340 секундқа сәйкес келеді. 100 секундтан кейін конденсатордың кернеуі тек 0,03В жоғарылайды, яғни айырмашылық шамалы және өлшеу қателігі диапазонында.

Отехр фигурасында электр қуаты үзілгеннен кейін Vout шығыс кернеуі Vcio конденсаторының кернеуіне қарағанда VdiodeF2 кіші екенін көруге болады. Айырмашылық dV = 0.23V = VdiodeF2 = 0.22V.

Өлшенген уақыттың қысқаша мазмұнын кестеде көруге болады. Көріп отырғаныңыздай, нәтижелер теориялық есептеулерге сәйкес келмейді. Өлшенген уақыт негізінен есептелген уақытқа қарағанда жақсы, яғни кейбір паразиттік аурулар есептеулерде ескерілмеген. Құрылған тізбекті қараған кезде бірнеше анықталмаған қосылу нүктелері бар екенін байқауға болады. Сонымен қатар, есептеулер жүктеме тәртібін жақсы қарастырмайды - кернеу төмендегенде ток төмендейді. Соған қарамастан, нәтижелер перспективалы және күтілетін диапазонда.

5 -қадам: жетілдірудің кейбір мүмкіндіктері

Егер супер конденсатордан кейін диодтың орнына күшейткіш түрлендіргіш қолданылса, жұмыс уақытын жақсартуға болады. Біз бұл бағаны қарапайым диодқа қарағанда жоғары деп есептедік.

Супер конденсаторды диод арқылы зарядтау (менің жағдайда екі диод) кернеудің төмендеуін білдіреді және егер арнайы зарядтау IC қолданылса, оны алып тастауға болады. Тағы да, басты мәселе - баға.

Сонымен қатар, жоғары бүйірлік қосқыштарды PNP қосқышымен бірге қолдануға болады. Шұғыл ойластырылған шешімді төменде көруге болады. Барлық қосқыштар 24 вольтты токтан тұратын зенер диод арқылы басқарылады. Егер кіріс кернеуі диодтың зенер кернеуінен төмен түссе, PNP қосқышы қосылады, ал басқа жоғары жақтағы қосқыштар ӨШІРіледі. Бұл схема тексерілмеген және, мүмкін, кейбір қосымша (пассивті) компоненттерді қажет етеді.

6 -қадам: Қорытынды

Өлшемдер есептеулерге өте жақсы сәйкес келеді. Теориялық есептеулерді қолдануға болатынын көрсету-тосын сый-тосынсый. Біздің ерекше жағдайда, берілген уақыт кезеңінде энергияның жеткілікті мөлшерін қамтамасыз ету үшін 2,5F шамасындағы конденсатор қажет.

Ең бастысы, конденсатордың зарядтау схемасы күткендей жұмыс істейді. Схема қарапайым, арзан және жеткілікті. Кейбір айтылған кемшіліктер бар, бірақ төмен баға мен қарапайымдылық оны өтейді.

Бұл кішкене түйіндеме біреуге пайдалы болады деп үміттенемін.